皮膚集成電子領域取得新進展

皮膚集成電子因其在個性化健康管理 、通訊和人機交互等多領域的應用潛力而受到廣泛關注 。其中 ，“紋身電子”（表皮電子）泛指一種可直接貼在皮膚上的柔性貼片 ，具有臨時紋身的輕鬆 、舒適等特點 。紋身 ，將墨水或染料顏料注入皮膚真皮層 ，是一種已普遍存在的身體修飾技術 。迄今已報道的“紋身電子”大多以皮膚表麵集成的形式呈現 ，而使用真皮紋身實現電生理信號的精確診斷是一種尚未探索的皮膚集成電子範式 。

傳統Ag/AgCl凝膠電極由於溶劑揮發導致的信號衰減 、電解質刺激皮膚和運動偽影幹擾等問題 ，不適合長期使用 。電極的物理特性 ，如電導率 、電極/皮膚接觸阻抗 、機械耐久性等均會影響無創電生理評估的可靠性 。與皮膚高度共形貼附的超薄紋身幹電極有望解決Ag/AgCl凝膠電極的現存問題 ，實現低電極/皮膚接觸阻抗 、減輕運動偽影 ，實現長期穩定監測 。從這個意義上說 ，穿透表皮（角質層和活表皮）的真皮電極能夠提供更為緊密 、穩定和高度順應的界麵 ，消除電極/表皮接觸阻抗的影響（特別表皮角質層） ，進一步減弱運動偽影 ，實現高信噪比電生理信號的采集 。

與依賴於電子和空穴傳輸的傳統無機材料相比 ，聚合物鏈級離子和電子導電性的共存使之成為生物電子應用中最具吸引力的候選材料 。其中 ，聚3 ，4-乙烯二氧噻吩 ：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）因其導電率可調 、良好的機械柔性和生物相容性等優點 ，已被廣泛應用於柔性可穿戴電子設備 。然而 ，未經處理的PEDOT:PSS導電性和可拉伸性較低 ，很大程度上限製了其應用 。

圖1 用於體外和體內電生理信號監測的超柔性紋身電極

近日 ，清華大學深圳國際研究生院徐曉敏 、成會明 、馬少華團隊開發了一種基於PEDOT:PSS改性的導電聚合物體係，PEDOT:PSS/EG/LiTFSI（以下簡稱PPEL） ，製得的超柔性PPEL紋身電極兼具良好的生物相容性 、高導電性（5165 S cm-1）和高拉伸性（斷裂伸長率>56.9%），能夠實現與人體皮膚的共形貼附 。該柔性紋身電極相較於商業化的Ag/AgCl凝膠電極（31.7 kΩ cm2）在100 Hz頻率下表現出更低的皮膚阻抗（10.6 kΩ cm2）和優異的穩定性 ，在靜 、動態監測過程中產生的信號噪音極低 ，實現在皮膚及身體運動等複雜狀況下高分辨實時心電（ECG）和肌電（EMG）信號監測 。

圖2 用於ECG和EMG監測的超柔性表皮電極

圖3 PPEL柔性紋身電極的微結構表征

圖4 PPEL柔性自支撐電極的電學和機械屬性

此外 ，研究團隊首次利用紋身技術構築出真皮紋身電極 ，實現了SD大鼠體內長達兩周的EMG信號穩定記錄 。墨水注射14天後 ，SD大鼠皮膚的組織學橫截麵表明墨水在真皮層中保持最初注入的位置 ，而不改變皮膚組織結構 。此外 ，連續記錄皮膚表麵外觀表明 ，墨水注入兩周後 ，角質層基本愈合並覆蓋了導電通道 。注射墨水的部位能夠再生毛發 ，表明真皮紋身不會引起疤痕或非疤痕性脫發 。在紋身注射和EMG記錄後持續觀察大鼠活動長達三個月 ，發現其與未經墨水注射的參考大鼠活動並無明顯差異 ，進一步表明PPEL墨水的生物安全性 。該工作將紋身電極的應用場景從表皮進一步拓展到皮下真皮層 ，為深層組織水平上的電子器件和生物組織通信開辟了新途徑 。

圖5 生物相容性評估

圖6 體內EMG監測

相關成果近日以“可用於皮膚表麵和體內電生理信號監測的超柔性紋身電極”（Ultraflexible Tattoo Electrodes for Epidermal and In vivo Electrophysiological Recording）為題 ，發表在國際期刊《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）上 。清華大學深圳國際研究生院徐曉敏副教授 、中國科學院深圳先進技術研究院成會明院士以及清華大學深圳國際研究生院馬少華副教授為上述文章通訊作者 ；清華大學深圳國際研究生院博士後魏斌斌和王子天為文章的共同第一作者 。論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院王曉浩研究員 、張旻副研究員 ，中國科學技術大學焦學琛研究員 、謝飛工程師 ，哈爾濱工業大學計紅軍教授 、2020級博士周昌傑 ，清華大學深圳國際研究生院2020級碩士郭昊天 、2021級博士生程思敏和博士後樓子瑞等 。該研究項目得到了國家自然科學基金 、深圳市優秀青年基金 、深圳市高等院校穩定支持計劃重點項目 、廣東省自然科學基金以及清華大學深圳國際研究生院啟動基金等項目和深圳蓋姆石墨烯中心的支持 。

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來源 ：清華大學深圳國際研究生院

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